過(guò)熱汽溫系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模算法

蒸汽過(guò)熱器是鍋爐的重要組成部分，作用是將飽和蒸汽加熱成為具有一定溫度的過(guò)熱蒸汽。為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應(yīng)提高過(guò)熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機(jī)膨脹終了的濕度就會(huì)過(guò)高，影響汽輪機(jī)的安全。過(guò)熱蒸汽溫度很高，而過(guò)熱蒸汽吸熱能力較差，因而，建立過(guò)熱器精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行較為精確的控制，對(duì)實(shí)際電廠過(guò)熱器管子金屬長(zhǎng)期安全工作是有非常重要的指導(dǎo)意義。

過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)在仿真模型中是從蒸汽發(fā)生器出口，一直到過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)之前的蒸汽管線及相關(guān)設(shè)備。整個(gè)過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立在質(zhì)量與能量平衡的基礎(chǔ)上。邏輯與控制1：1仿真。過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)根據(jù)過(guò)熱蒸汽模型的特點(diǎn)，在建模上主要可分成：受熱面算法、混合聯(lián)箱算法。

過(guò)熱汽溫系統(tǒng)受熱面算法

本算法仿真單相介質(zhì)換熱器的動(dòng)態(tài)傳熱和流動(dòng)過(guò)程，對(duì)換熱器的外部積灰和內(nèi)部結(jié)垢以及管壁泄漏等過(guò)程也給予仿真。受熱面主要計(jì)算各傳熱系數(shù)：

（1）煙側(cè)換熱系數(shù)

（2）工質(zhì)熱換側(cè)系數(shù)

（3）煙側(cè)放熱量

（4）工質(zhì)吸熱量

過(guò)熱汽溫系統(tǒng)混合聯(lián)箱算法

為了減小熱偏差，可以將過(guò)熱器受熱面分成幾級(jí)，對(duì)某一級(jí)來(lái)說(shuō)受熱不同的管子聯(lián)到了同一聯(lián)箱，在聯(lián)箱內(nèi)使蒸汽充分混合，這樣在某一級(jí)中產(chǎn)生的熱偏差，經(jīng)混合后可以消除或減小，級(jí)分得越多，熱偏差值就越小。一般中壓鍋爐，過(guò)熱器分兩級(jí)，級(jí)間混合一次。高壓鍋爐常將過(guò)熱器分三級(jí)、混合兩次或分四級(jí)、混合三次。超高 壓鍋爐將過(guò)熱器分四級(jí)、五級(jí)。更高參數(shù)的鍋爐將過(guò)熱器的級(jí)數(shù)分得更多。所以混合聯(lián)箱在過(guò)熱器系統(tǒng)中對(duì)于消除或減小熱偏差是很重要的。

該算法模擬了最多5種質(zhì)量和能量的混合，也可以模擬某些物質(zhì)（如硅Si）的濃度。根據(jù)進(jìn)入聯(lián)箱的各種流體的流量及其對(duì)應(yīng)的焓/深度，計(jì)算出口的焓或指定元素的質(zhì)量濃度。混合可以是瞬時(shí)的（無(wú)質(zhì)量），也可計(jì)算為設(shè)備阻塞。無(wú)論哪種情況，假定混合為理想混合 。2100433B

一般過(guò)熱系統(tǒng)采取的是噴水減溫作為過(guò)熱汽溫的調(diào)節(jié)方式，分別在屏式過(guò)熱器以及末級(jí)過(guò)熱器入口布置兩個(gè)噴水減溫器，構(gòu)成兩級(jí)噴水減溫系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫器噴水量調(diào)節(jié)主蒸汽溫度，減溫水來(lái)自鍋爐給水系統(tǒng)。本文以末級(jí)過(guò)熱器和布置在其入口位置的噴水減溫器構(gòu)成的末級(jí)過(guò)熱系統(tǒng)為具體的研究對(duì)象，分別對(duì)過(guò)熱器、噴水減溫器進(jìn)行機(jī)理分析，建立其機(jī)理模型 。過(guò)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示：

其中，

針對(duì)過(guò)熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，一般將各段過(guò)熱器按流程順序相連成一個(gè)整體，并將其視為一根等效單相受熱管，容積和金屬質(zhì)量為各段過(guò)熱器容積和金屬質(zhì)量的總和，同時(shí)不考慮過(guò)熱蒸汽的重位壓降。單相受熱管物理模型如圖3所示：

圖3中，

基于這些簡(jiǎn)化假定，可以根據(jù)流體力學(xué)、熱力學(xué)和傳熱學(xué)等的基本原理，建立起如下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）

在管內(nèi)取長(zhǎng)度為dy的微元體，截面積為F，管內(nèi)介質(zhì)的流量是長(zhǎng)度和時(shí)間t的函數(shù)。根據(jù)質(zhì)量守恒

式中，D為管內(nèi)介質(zhì)流量；v為介質(zhì)比容。

（2）能量守恒方程

式中，η為工質(zhì)焓；

（3）管內(nèi)放熱方程

式中，

（4）管壁金屬的熱平衡方程

式中，

最終過(guò)熱器入口溫度擾動(dòng)的傳遞函數(shù)

式中參數(shù)為：

鍋爐燃燒流程：在爐膛的前、后墻的拱上均勻布置了46 個(gè)旋風(fēng)分離燃燒器，一次風(fēng)機(jī)將經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器的熱一次風(fēng)送入磨煤機(jī)，熱一次風(fēng)攜帶雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)研磨好的煤粉、空氣混合物沿著煤粉管道輸送到燃燒器。二次風(fēng)機(jī)將通過(guò)空氣預(yù)熱器的二次風(fēng)送入爐膛前、后墻二次風(fēng)出口。從前、后墻拱上燃燒器噴射的煤粉氣流在下爐膛燃燒后火焰向上折，形成所謂的“W”型火焰。燃燒形成的煙氣隨著火焰往上經(jīng)過(guò)上部爐膛，上爐膛內(nèi)布置了屏式過(guò)熱器，它既吸收爐膛中火焰的輻射熱,又以對(duì)流方式吸收流過(guò)它的煙氣的熱量；接著煙氣流過(guò)鍋爐的水平煙道，水平煙道布置了高溫過(guò)熱器和高溫再熱器，它們主要以對(duì)流傳熱方式吸收流過(guò)它的煙氣的熱量；然后煙氣轉(zhuǎn)彎向下流動(dòng)，在這里煙氣通過(guò)擋板被分為兩股平行的對(duì)流受熱煙道，這個(gè)區(qū)域稱為熱回收區(qū)。前、后兩個(gè)煙道內(nèi)分別布置了低溫過(guò)熱器、低溫再熱器，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)煙道內(nèi)的擋板開度來(lái)調(diào)整流入兩個(gè)煙道的煙氣流量從而達(dá)到控制再熱汽溫的目的。

在過(guò)熱系統(tǒng)中，來(lái)自汽包的飽和蒸汽流經(jīng)頂棚過(guò)熱器、包墻過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、可疏水式屏式過(guò)熱器及末級(jí)過(guò)熱器達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的過(guò)熱蒸汽出口溫度。為了消除熱偏差通常會(huì)在屏式過(guò)熱器與高溫末級(jí)過(guò)熱器之間設(shè)置聯(lián)箱進(jìn)行蒸汽一次交叉混合。在屏式過(guò)熱器入口和末級(jí)過(guò)熱器入口蒸汽管道上，分別設(shè)置兩級(jí)噴水減溫器以控制過(guò)熱蒸汽溫度。末級(jí)過(guò)熱器出口主蒸汽由集箱一端引出。

過(guò)熱系統(tǒng)蒸汽流圖如圖1所示：

在過(guò)熱系統(tǒng)中，除了兩級(jí)噴水減溫器外，過(guò)熱系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)可以歸為單相受熱管來(lái)處理，它們的特點(diǎn)是工質(zhì)在受熱過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相變。在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)熱器內(nèi)的工質(zhì)溫度、壓力、比焓和密度等熱力參數(shù)均隨時(shí)間和空間的變化而變化，是典型的分布參數(shù)環(huán)節(jié)。

火力發(fā)電廠熱工控制中，鍋爐出口過(guò)熱蒸汽溫度（主汽溫）是鍋爐的主要參數(shù)之一，也是整個(gè)汽水行程中工質(zhì)的最高溫度，對(duì)電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。單元機(jī)組各級(jí)過(guò)熱蒸汽溫度控制的慣性時(shí)間常數(shù)和遲延時(shí)間都很大，且機(jī)組容量越大，過(guò)熱器管道越長(zhǎng)，慣性時(shí)間和純遲延時(shí)間也越長(zhǎng)；另外，鍋爐動(dòng)態(tài)特性隨工況或干擾等因素變化發(fā)生變化。影響過(guò)熱汽溫的主要因素有：流量、壓力、燃燒狀況、減溫水調(diào)節(jié)閥的開度。上述任何一個(gè)因素的變化都會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度不同程度的變化。除此之外，過(guò)熱汽溫度往往表現(xiàn)出一定的非線性和時(shí)變特性。隨著科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展和機(jī)組容量不斷增大，對(duì)過(guò)熱汽溫系統(tǒng)建立比較精確的模型顯得尤為重要。

工程中常用的過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)，還是采用最基本的串級(jí)調(diào)節(jié)和具有導(dǎo)前微分的雙回路控制機(jī)構(gòu)。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)

基于過(guò)熱汽溫系統(tǒng)的特點(diǎn)，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，引入中間點(diǎn)信號(hào)作為控制系統(tǒng)的補(bǔ)充信號(hào)，從而構(gòu)成了串級(jí)控制系統(tǒng)。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)采用導(dǎo)前微分信號(hào)的過(guò)熱汽溫雙回路控制系統(tǒng)

導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的控制系統(tǒng)。并引入了導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號(hào)，從而提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。通過(guò)分析得出了串級(jí)控制系統(tǒng)的主副兩個(gè)調(diào)節(jié)回路的工作比較獨(dú)立，系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)參數(shù)整定、調(diào)試直觀方便，而有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)在整定時(shí)相互影響、不易掌握。

對(duì)于過(guò)熱汽溫的特性，廣大學(xué)者和研究熱人員給予了過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)廣泛的關(guān)注，并提出許多新的控制方案，下面簡(jiǎn)要介紹有代表性的四種。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)PID 狀態(tài)反饋控制方案

在串級(jí)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加了狀態(tài)觀測(cè)器，并將狀態(tài)變量反饋到減溫器的執(zhí)行器上。當(dāng)被控對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，可以更快的了解變化信息，并通過(guò)反饋直接作用到執(zhí)行器上，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)Smith預(yù)估控制方案

在傳統(tǒng)串級(jí)控制的基礎(chǔ)上，主控制回路采用了Smith預(yù)估器。實(shí)踐證明，在汽溫控制中采用Smith預(yù)估控制，對(duì)于抑制超調(diào)是非常有效的。由于Smith預(yù)估器可根據(jù)搭設(shè)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)先估計(jì)出所采用的控制動(dòng)作對(duì)過(guò)程變量的可能影響，而不必等到過(guò)程變量有所反應(yīng)后再去校正所采取的控制動(dòng)作，從而提高調(diào)節(jié)效果。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)應(yīng)用模糊理論的控制方案

模糊控制方案仍然采用了串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)回路與傳統(tǒng)的串級(jí)控制相同，主調(diào)節(jié)器采用模糊控制器。模糊控制器的設(shè)計(jì)是根據(jù)人工控制規(guī)則，將人工控制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得到一個(gè)多級(jí)Fuzzy條件語(yǔ)句，采用模糊集合理論實(shí)現(xiàn)，模糊控制規(guī)則的質(zhì)量決定了系統(tǒng)的控制性能。

過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中引入過(guò)熱汽溫設(shè)定值及其偏差，在線補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，提高了對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化的適應(yīng)性。同時(shí)研究人員還提出了預(yù)測(cè)智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制等方案，研究表明，這些方法的控制效果比傳統(tǒng)的控制有了很大的提高?？偠灾?，隨著先進(jìn)控制的發(fā)展，對(duì)過(guò)熱汽溫的控制將有更好的控制方案。

過(guò)熱汽溫的控制一直是火電廠模擬量控制系統(tǒng)的難點(diǎn)，主要是因?yàn)檫^(guò)熱汽溫控制對(duì)象具有大延時(shí)、大慣性、非線性和時(shí)變性等特點(diǎn)，釆用常規(guī)和簡(jiǎn)單的控制規(guī)律難以獲得較好的調(diào)節(jié)效果。長(zhǎng)期以來(lái)，過(guò)熱汽溫的控制是火電廠自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)多的控制方案以及應(yīng)用嘗試。

工程中常用的汽溫控制系統(tǒng)，還是采用最基本的串級(jí)調(diào)節(jié)和具有導(dǎo)前微分的雙回路控制機(jī)構(gòu)。由于過(guò)熱汽溫系統(tǒng)具有大延時(shí)、大慣性，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，引入中間點(diǎn)信號(hào)作為控制系統(tǒng)的補(bǔ)充信號(hào)，從而構(gòu)成了串級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)主副回路的調(diào)節(jié)器去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以改變減溫水量來(lái)維持過(guò)熱汽溫基本不變。與此同時(shí)還有一些改進(jìn)的過(guò)熱氣溫控制方法，比如說(shuō)PID 狀態(tài)反饋控制、Smith預(yù)估控制、應(yīng)用模糊理論的控制等。在實(shí)際應(yīng)用中都取得了較好的控制效果，有利于電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，近年來(lái)人們對(duì)于先進(jìn)控制策略的研究更加深入，希望能提出更好的控制方案應(yīng)用于過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)。 2100433B